(News.oto-hui.com) – Thông thường ở một bộ pin xe điện, nhiều hãng sản xuất pin trang bị các loại pin Lion cỡ lớn, nhưng Tesla là trường hợp khác. Hãng xe điện của Elon Musk sử dụng nhiều viên pin Lion cỡ nhỏ hơn là dùng pin cỡ lớn. Vì sao lại như thế? Loại Pin này tạo ra điện áp và dòng cho xe điện như thế nào?
1. Lý do ban đầu Tesla sử dụng nhiều viên pin cỡ nhỏ mà không dùng cỡ lớn?
Lý do chính khởi nguồn từ khi Tesla lần đầu tiên lựa chọn nhà sản xuất pin (theo cách bất khả kháng nhất). Hãng đã yêu cầu nhà cung ứng sản xuất loại cell pin có thiết kế phổ thông (*Consumer Form Factor), chủ yếu là những cell pin 18650 mà không phải là cell pin 21700. Đó là vì bởi giá thành sản xuất và chúng luôn có sẵn trên thị trường pin.
Pin 18650 đối với TESLA như một “tai nạn” (trích lời của Elon Musk).
Tesla không giống bất cứ hãng xe điện nào, họ tiên phong và họ luôn làm khác biệt. Nissan là một trong những hãng đi đầu về xe điện nhưng lại không sản xuất và cung cấp loại cell pin như thế trên các dòng xe điện của hãng. Với Tesla, dùng những thứ có sẵn sẽ giải quyết tốt đến các chi phí phát sinh khác.
Sự lựa chọn này mang lại kết quả tốt cho Tesla, thiết kế dạng trụ tròn tạo ra những khoảng hở giữa những cell pin, giúp chúng được tản nhiệt hiệu quả hơn. Điều này có nghĩa là thiết kế lốc pin của họ cũng đơn giản hơn so với những hãng sản xuất xe điện khác.
Thích nghi để thay đổi
Năm 2017, khi Tesla bắt chuyển sang dòng Model 3 (cả Model S và Model X drivetrain), họ đã đổi sang loại cell khác lớn hơn một chút (cell 21700), nhưng vẫn giữ thiết kế hình trụ tròn. Do mật độ công suất của loại pin này mới gấp đôi dung lượng so với pin cùng loại và pin mới có thể giúp sạc pin trong 20 phút rồi chạy xa 370 dặm (600 km).
- Pin 18650 dần bộc lộ giới hạn bởi thể tích, kích thước của nó, chi phí sản suất thường là từ 2,0-2,6AH / cell để sản xuất hàng loạt. Hiện nay, trong khi có nhu cầu rất lớn về mật độ năng lượng nhiều hơn cho pin lithium, tế bào 18650 hiện tại không thể tăng thêm công suất.
Đầu năm 2017, Tesla tuyên bố đưa pin 21700 vào sản xuất hàng loại. Hai hướng để cải thiện công suất viên pin:
- Thay đổi công nghệ: rất khó, vẫn là công nghệ pin Li-ion
- Thay đổi kích thước và quy trình sản xuất: TESLA và Panasonic đi theo hướng này
Cùng một quy trình sản xuất, với viên pin lớn hơn 1 chút, cải thiện rất nhiều về dung lượng pin, trong khi chi phí sản xuất lại chỉ tăng hơn một chút, tổng chi phí rẻ hơn nếu so sánh trên mật độ năng lượng của viên pin. Tổng thể pin 21700 mang lại chi phí sản xuất giảm 9% và giá thành giảm 8.1%
Người ta giả định rằng mật độ năng lượng tăng 10% cho mỗi lít thể tích, tần suất phải sạc của pin sẽ giảm đi khoảng 20% (vì dung lượng lớn hơn), chi phí để nạp pin sẽ giảm, nhưng nhiệt độ pin sẽ tăng 20%.
Nếu bạn tiếp tục tăng kích thước cell pin, bạn sẽ tăng nguy cơ cháy nổ. Vì thế kích thước pin 21700 là cân cân bằng giữa các yếu tố: chi phí sản xuất, tuổi thọ, chi phí vận hành, và nguy cơ cháy nổ.
Tiếp tục phát triển loại pin mới (cell pin 4680) thay thế thế hệ cell pin cũ 21700
CEO Elon Musk và các kỹ sư đã tự tin rằng, loại cell pin với kích thước mới này sẽ khởi đầu cho việc thiết kế xe của Tesla với các cell pin 4680 trở thành một phần quan trọng nhất trong cấu trúc xe.
Thay đổi mấu chốt trong thiết kế mới này là việc loại bỏ phần “tab”, miếng kim loại gắn vào 2 điện cực trên pin để sạc và xả điện. Thay cho miếng tab đó là một dải dẫn điện được gắn ở 2 bên mép của tấm điện cực. Thiết kế này giúp rút ngắn hành trình của electron trong các tấm điện cực, cũng như giảm sự điện trở, giảm được nhiệt lượng tạo ra trong quá trình sạc xả pin.
Với thiết kế mới này, cell pin 4680 sẽ tích trữ được nhiều năng lượng hơn và theo Tesla, nó sẽ giúp sản xuất nhanh hơn và rẻ hơn. Và với kích thước lớn hơn so với cell pin 2170, chúng có thể được sắp xếp để tạo trên thành sàn của xe Tesla, giúp gia tăng độ cứng cho phần giữa thân xe cũng như loại bỏ được nhiều linh kiện phức tạp trong quá trình lắp ráp.
Mục tiêu của Tesla đối với cell pin mới sẽ giúp cắt giảm chi phí sản xuất xuống 50% trong khi giúp tăng mạnh mức điện năng mà nó có thể lưu trữ. Elon Musk và phó chủ tịch Tesla, Drew Baglino cho biết, một cell pin mới tốt hơn là cách duy nhất để công ty có thể đạt được một mục tiêu đầy tham vọng: Tổng dung tích pin sản xuất sẽ được đạt 3 TeraWatt (mỗi TeraWatt bằng 1.000 tỷ Watt) vào năm 2023.
2. Ý nghĩa thiết kế của pin và cell?
Mỗi cell Lithium Ion là một phần tử tích trữ năng lượng. Một cục pin (*a battery) gồm nhiều cell (một cục pin đơn giản có thể chỉ gồm một cell duy nhất).
Một cell Li-ion có điện áp khoảng 4 Volt. Bạn hoàn toàn có thể tạo ra cell pin to hơn và có dung lượng lớn hơn (đo bằng Watt.giờ, hay nói cho đúng kỹ thuật hơn là Amp.giờ), nhưng điện áp của nó thì vẫn chỉ có 4 Volt mà thôi. Đó không phải con số lý tưởng để điều khiển một chiếc xe điện.
- Chiếc xe cần phải có công suất 100 kW (hoặc hơn) để gia tốc. Như vậy pin sẽ cần phải tạo ra dòng điện 25,000 Amp để cung cấp cho động cơ.
Thay vì như vậy, bạn có thể sử dụng lốc pin có điện áp 400V (và chỉ cần 250 Amp). Thiết kế này trở thành kiểu mẫu cho những chiếc xe điện thế hệ đầu, mặc dù những phiên bản mới hơn sử dụng lốc pin 400V.
Đọc tới đây bạn sẽ thắc mắc: Cell Pin 18650 hoặc 21700 là gì? Tên gọi này xuất phát từ đâu? Tuổi thọ thông thường của loại Cell pin này?
a. Lý giải tên gọi Pin 18650:
Về cơ bản kích, thước mỗi viên pin sẽ phụ thuộc vào nhà sản xuất qui định dung lượng. Tuỳ hãng sẽ thiết kế viên pin to hoặc bé hơn so với kích thước chuẩn “đường kính 1.8cm”, chiều dài “6.5cm”.
- Cell Pin 18650: Nghĩa là “18(mm) + 65(mm) + 0 (ký hiệu cho hình trạng trụ tròn của pin hoặc ký hiệu sai số).
Tuổi thọ của loại cell pin bất kỳ, dù là 18650 hay 21700 đều phụ thuộc vào số lần sạc pin. Theo tính toán tương đối của các nhà phát triển pin Panasonic, Cell pin 18650 chịu được khoảng 500 lần nạp và xả. Nhưng nên nhớ đây chỉ là một trong yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ pin, nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ và chất lượng bộ sạc pin cũng như các yêu tố ảnh hưởng từ môi trường.
b. Cấu tạo pin 18650:
Pin chứa 3 phần Cathode, Anode và chất điện giải.
Trong khi anode của moi pin 18650 Li-ion để giống nhau gồm carbon / silicon và graphite. Thì cathode lại khác nhau với mỗi loại pin. Điều này cho pin những đặc tính khác biệt.
Tùy theo công thức hóa học, mỗi loại pin sẽ phải đánh đối giữa công suất, dung lượng, độ bền và độ ổn định (an toàn).
- Ví dụ: Pin ICR (sử dụng cobalt) sẽ có công suất lớn và dung lượng lớn, nhưng nó không an toàn, dễ cháy nổ. IMR thì an toàn hơn nhưng dung lượng thấp hơn ICR. Thêm Nickel và manganese IMR sẽ cho bạn công suất lớn hơn.
c. Pin trong xe Tesla:
Pin Li-ion NCA – Li-aluminum sử dụng trong xe Tesla hỗ trợ dòng xả thấp, nhưng bù lại có dung lượng lớn và vòng đời dài. Pin này cũng có đặc điểm là chịu được sốc vật lý.
Một số dòng pin NCA phổ biến:
- Panasonic 18650PF
- Panasonic 18650B
- LG MH1
3. Vậy làm thế nào để biến điện áp 4V thành 400V?
Để đạt 400V thì ta mắc nối tiếp 94 cell pin lại, thành 1 cell lớn điện áp 400V, vậy là đủ điện áp để vận hành động cơ. Nhưng 1 cell lớn đó dung lượng sẽ không đủ, mà cần thêm 74 cell mắc song song như vậy, nêm lấy 96×74=7104.
Đây là cách mà Nissan đã và đang sử dụng trong chiếc xe LEAF (có đến 96 cell trong lốc pin). Vậy là bạn đã có được nguồn 400V, mỗi cell trong đó chỉ cần tạo ra 250 Amp.
Nhưng nếu mắc song song nhiều cell thì mỗi cell sẽ không cần phải tạo ra dòng xả cao như vậy.
- Ví dụ như: Model S85 có 7104 cell trong lốc pin, xếp 96 nối tiếp, 74 song song. Nghĩa là 96 cell được mắc nối tiếp thành một “chuỗi”, 74 chuỗi như vậy lại được mắc song song.
- Như vậy tổng dòng 250A sẽ được chia cho 74 chuỗi, mỗi chuỗi giờ đây chỉ cần phải tạo ra 3.38 Amp.
Mặt khác, việc xếp những cell pin cũng cho phép chúng ta sạc lốc pin nhanh hơn với điện áp và dòng sạc cao (miễn là bộ sạc đủ công suất đáp ứng).
Về cơ bản, chế tạo cell pin Li-on cũng giống như xếp bánh mỳ sandwich 3 lớp, gồm những nguyên liệu: lớp cathode, lớp anode và lớp màng ngăn (giữa các lớp trên còn có lớp chất điện li).
- Để tạo ra một cell pin, ta xếp chồng 3 lớp này lên nhau, dung lượng của cell pin sẽ bằng với diện tích của sandwich hình chữ nhật này. Sau đó bạn “đóng gói các mẫu bánh sandwich” này.
4. Để tạo ra những cell pin hình trụ tròn về cơ bản phải làm như thế nào?
Đơn giản là cuộn hình chữ nhật đó và bọc nó trong một lớp vỏ. Nếu bạn muốn tạo ra cell pin có dung lượng cao hơn, có hai lựa chọn: Bạn tạo ra hình chữ nhật lớn hơn, hoặc chồng nhiều hình chữ nhật lên nhau.
Nhưng với cell hình trụ tròn thì không nhất thiết phải làm như vậy, thay vào đó ta chỉ cần tạo ra hình chữ nhật thật dài và cuộn nó thành nhiều vòng. Ta có thể quyết định dùng bao nhiêu cell pin cũng được nhưng dung lượng của pin được quyết định bởi diện tích của cathode và anode.
Việc giảm số lượng cell cũng mang lại một số lợi ích:
- Xe điện Tesla sử dụng 7104 cell riêng biệt, điều đó làm gia tăng vật liệu và chi phí sản xuất nếu so với 96 cell của Nissan.
- Bù lại, lốc pin sử dụng nhiều cell sẽ có lợi thế hơn về tản nhiệt và công suất.
Tất cả phụ thuộc vào những thông số mà chiếc xe chú trọng tới. Nhà sản xuất có thể chấp nhận đánh đổi giá thành để có được chất lượng lắp ráp hoàn thiện hơn.
5. Giải thích thêm về cách mắc Cell pin nối tiếp và song song:
Trong bài có nói về các kiểu mắc cell nối tiếp và song song (giả sử tất cả cell đều giống nhau).
- Khi mắc nối tiếp, điện áp bằng tổng điện áp từng từng cell, dung lượng và dòng xả tối đa không đổi.
- Khi mắc song song, điện áp không đổi, dung lượng và dòng xả tối đa bằng tổng từng cell.
Về dòng xả và dòng sạc (hay gây nhầm lẫn) thì đơn giản như thế này: Ví dụ nguồn có dòng xả tối đa 20A, ta dùng nguồn này cấp cho các tải sau:
- Tải cần dòng 10A: Nguồn sẽ tạo ra dòng 10A, mọi thứ hoạt động bình thường
- Tải cần dòng 30A: Nguồn không đủ công suất đáp ứng, dẫn đến sụt áp và tạch nguồn, tải không làm sao.
=> Miễn là dòng tải không lớn hơn dòng xả tối đa của nguồn thì tải lấy bao nhiêu, nguồn cho bấy nhiêu.
Tương tự cũng như sạc, dòng sạc của bộ sạc càng cao thì sạc càng nhanh, yên tâm đi không hỏng sạc hay hỏng pin đâu. Chỉ khi nào dòng sạc của bộ sạc nhỏ quá thì sạc lâu và có khả năng tạch bộ sạc thôi.
Đó là dòng, còn điện áp thì đơn giản là nếu điện áp nguồn cao hơn (nhiều) so với điện áp tải thì tải tạch, nguồn vẫn bình thường.
Bài viết liên quan:
- VinFast sắp sử dụng 2 công nghệ pin mang tính cách mạng cho ngành ô tô điện
- Tesla công bố pin xe điện mới, mạnh gấp 6 lần pin cũ
- Tesla sắp ra mắt loại pin mới, tính kinh tế cạnh tranh ngang ngửa với xăng
- Thị phần pin lithium thế giới thay đổi như thế nào sau 11 năm?
